El camino hacia 6G puede estar pavimentado con grafeno

El futuro de la tecnología de comunicaciones inalámbricas avanza rápidamente. Fue solo en 2019 cuando los operadores globales comenzaron a lanzar 5G. Mientras el 5G aún está en proceso de implementación global, el 6G ya ha comenzado a desarrollarse.

El 6G es la sexta generación de tecnología inalámbrica. La primera generación, 1G, apareció en la década de 1980 y ofrecía voz analógica. Luego, a principios de la década de 1990, se introdujo el 2G, que trajo voz digital y mejoró no solo la calidad de la voz sino también la duración de la batería y la seguridad de la red.

Esto fue seguido por el 3G a principios de los 2000, que trajo datos móviles y abrió nuevas posibilidades, como videollamadas y soporte de mensajería multimedia. La cuarta generación, 4G, en la década de 2010, dio paso a la era de la banda ancha móvil con latencia reducida y mayor velocidad de ancho de banda. Mientras tanto, el 5G aumentó aún más la velocidad y soporta aplicaciones como la realidad aumentada (AR) y la conducción autónoma.

Así, cada nueva generación de tecnología de comunicaciones inalámbricas ha venido con nuevas capacidades, y lo mismo ocurre con el 6G.

Continuando con la tendencia de innovación y mejoras en las comunicaciones inalámbricas, el 6G nos ofrecerá mayor ancho de banda y velocidad, latencia extremadamente baja y fiabilidad. Con esta tecnología, el objetivo es ofrecer verdaderamente inteligencia y comunicación inalámbrica ubicuas.

La nueva tecnología utilizará los mismos bloques de construcción que las redes anteriores, como estaciones base, enrutadores, antenas, etc., pero lo que la diferenciará es el uso de nuevas tecnologías para avanzar aún más las capacidades de comunicación inalámbrica.

Esto significa que el 6G se basará en el 5G para perfeccionar aún más las mejoras aportadas por la tecnología actual en la conectividad de red para el usuario final.

Además de proporcionar conectividad de alta velocidad con latencia predeciblemente baja, se espera que la red 6G maneje la demanda de tráfico exponencialmente creciente de manera rentable. También podría lograr finalmente una cobertura global completa, ofreciendo acceso a todos. Sin embargo, soportar una cantidad tan grande de dispositivos requerirá costos sostenibles tanto para los proveedores de servicios como para los consumidores.

Sin embargo, eso no es suficiente. Además de estas mejoras y la cobertura mundial al conectar áreas remotas, los avances tecnológicos también deben ofrecer resistencia a ataques malintencionados deliberados a la infraestructura y resiliencia frente a desastres naturales y perturbaciones locales.

Todos estos avances en la tecnología 6G nos ayudarán en la atención médica de precisión, la agricultura inteligente, las ciudades inteligentes, los gemelos digitales, las comunicaciones espaciales y la navegación de robots. Además, permitirá el procesamiento y análisis de datos en tiempo real en el borde de la red, así como la incorporación sin problemas de miles de millones de dispositivos interconectados en la vida cotidiana. Se espera que el despliegue del 6G también contribuya a innovaciones ecológicas para minimizar el impacto ambiental y promover el desarrollo sostenible.

Aunque el 6G promete un futuro altamente avanzado, enfrenta varios desafíos, incluidos el costo y la seguridad. Para que esta tecnología esté operativa, necesitaríamos una nueva infraestructura a gran escala, lo cual es costoso de construir. Además, la tecnología de código abierto, las redes virtuales y el IoT aumentarán su vulnerabilidad a brechas de seguridad.

Aquí, se están explorando la encriptación cuántica, blockchain y las capacidades predictivas de la IA como posibles soluciones de seguridad, mientras que la virtualización de muchos componentes físicos se espera que ayude con el costo.

En cuanto al tamaño del mercado global de esta tecnología, se proyecta que valga 40,5 mil millones de dólares para 2032, impulsado por la demanda de hiperconectividad, los beneficios de la baja latencia y altas tasas de datos, la promesa de aplicaciones de próxima generación, la utilización de frecuencias terahercios y la IA, y el potencial de cerrar la brecha digital.

Se espera que la tecnología 6G comience su despliegue a finales de esta década. Por ahora, aún se encuentra en sus primeras etapas de investigación.

Mejorando la comunicación inalámbrica con material cuántico

Con un enfoque creciente en mejorar drásticamente la tecnología de comunicación inalámbrica a nivel global, los investigadores están explorando diferentes formas de desbloquear tecnologías más rápidas y eficientes en la comunicación inalámbrica.

Un equipo de investigadores ha encontrado ahora formas de amplificar la conversión de frecuencia de ondas terahercios (THz) en estructuras basadas en grafeno.

Los sistemas de comunicación inalámbrica en terahercios (THz) han ganado mucho impulso debido a la búsqueda de anchos de banda y frecuencias cada vez mayores en el espectro THz, especialmente anchos de banda amplios.

Si bien el ancho de banda en megahercios es suficiente para las aplicaciones actuales, los escenarios de comunicación de redes futuros requerirán anchos de banda de varios gigahercios (GHz) para funcionar bien. Al ser ondas de alta frecuencia con longitudes de onda extremadamente cortas, las ondas THz pueden transmitir datos más rápidamente.

Terahercios (THz) es una unidad de frecuencia que mide ondas electromagnéticas en el rango de 0,1-10 THz. Estas ondas, que son no invasivas y seguras para humanos, animales y plantas, se sitúan entre el infrarrojo y las ondas milimétricas en el espectro electromagnético (EM).

Esto significa que las ondas THz pueden ser utilizadas para imágenes no invasivas a través de materiales opacos para aplicaciones de control de calidad y seguridad.

Su potencial de ancho de banda extremadamente amplio permite además tasas de datos ultra altas y, por supuesto, habilita capacidades que superan al 5G. Sin embargo, esta prometedora tecnología es fácilmente absorbida por componentes atmosféricos como el aire y el vapor de agua, lo que reduce la fuerza de la señal a distancia.

En cuanto al potencial de las ondas THz para la comunicación inalámbrica, se han logrado avances en óptica no lineal THz. La óptica no lineal implica estudiar la interacción de la luz con materiales para crear fenómenos únicos, lo que incluye la generación de armónicos ópticos.

A medida que las tecnologías THz continúan evolucionando, los investigadores de la Universidad de Ottawa han desarrollado una forma de construir dispositivos que pueden convertir hacia arriba señales electromagnéticas a frecuencias de oscilación más altas. Esto puede reducir efectivamente la brecha entre la electrónica GHz y la fotónica THz.

Los hallazgos del estudio más reciente, publicados en Nature¹, mostraron las estrategias innovadoras del equipo para mejorar las no linealidades THz en dispositivos basados en grafeno.

“[Esto] marca un paso significativo hacia adelante en la mejora de la eficiencia de los convertidores de frecuencia THz, un aspecto crítico para aplicaciones THz multiespectrales y especialmente para el futuro de los sistemas de comunicación, como el 6G.”

Utilizando el método demostrado en la nueva investigación, también pueden aprovecharse las propiedades ópticas únicas del grafeno.

Extraído del grafito, el grafeno está compuesto de carbono puro, que es uno de los elementos más importantes de la naturaleza. Este material cuántico emergente está formado por una sola capa de átomos de carbono y es conocido por ser resistente, ligero y flexible.

Este material 2D también es conocido por su resistencia y alta conductividad térmica y eléctrica. Más importante aún, el grafeno posee propiedades ópticas notables. Estas incluyen una alta transparencia en el rango del espectro visible, que depende de su estructura de bandas, absorbancia óptica infrarroja ajustable y respuesta fotoeléctrica hasta el rango de frecuencias THz.

Todas estas asombrosas propiedades hacen del grafeno un material valioso en los campos de energía, construcción, salud y sectores electrónicos. Notablemente, su gran no linealidad óptica, junto con su facilidad de integración en dispositivos, convierte al grafeno en un candidato ideal para convertirse en un componente clave para el conmutado totalmente óptico y las tecnologías de conversión de frecuencia para el procesamiento de señales y aplicaciones de comunicación inalámbrica.

Los estudios que previamente combinaron luz THz y grafeno se centraron principalmente en interacciones fundamentales luz‑materia. Evaluar solo el efecto de un único parámetro produce efectos no lineales bastante débiles.

Así, la investigación más reciente combinó en su lugar múltiples enfoques innovadores para mejorar estos efectos no lineales y, al mismo tiempo, aprovechar al máximo las propiedades únicas del grafeno.

Para potenciar las no linealidades THz en estructuras basadas en grafeno, el equipo aumentó la longitud de interacción mediante un diseño multicapa, controló la densidad de portadores con una puerta eléctrica y moduló la distribución espacial del campo THz con un sustrato de metasuperficie metálica.

El nuevo experimento, junto con sus arquitecturas de dispositivos, Ali Maleki, estudiante de doctorado en el grupo Ultrafast THz de uOttawa, señaló, “ofrece la posibilidad de explorar una amplia gama de materiales más allá del grafeno y potencialmente identificar nuevos mecanismos ópticos no lineales.”

El equipo informó factores de mejora de generación de tercer armónico (THG) que superan los treinta y propuso arquitecturas capaces de lograr un aumento de dos órdenes de magnitud.

Maleki, quien recopiló y analizó los resultados del estudio, cree que la investigación es crucial para refinar las técnicas de conversión de frecuencia THz. El desarrollo, según él, eventualmente también ayudará a integrar esta tecnología en aplicaciones del mundo real, “particularmente para permitir convertidores de señal THz no lineales eficientes e integrados en chip que impulsarán los sistemas de comunicación futuros.”

Principales actores en 6G

La carrera por dominar el desarrollo del 6G ha involucrado a todos, desde China y EE. UU. hasta Corea del Sur, Europa e India, implementando planes avanzados.

Las empresas también están colaborando para acelerar su desarrollo. Samsung Electronics se ha asociado con el mayor operador móvil de Japón, NTT Docomo, para “acelerar la innovación impulsada por IA en la industria de telecomunicaciones”, lo que también hará realidad comunicaciones futuras como el 6G. SoftBank Corp ha firmado un MoU con Nokia para el desarrollo de un sistema de comunicación que aprovecha la IA para la tecnología 6G. Mientras tanto, Apple (AAPL ) está ampliando su equipo para profundizar en el ámbito del 6G.

Así que, mientras todos suben al tren del 6G, echemos un vistazo a un par de grandes empresas cotizadas que pueden beneficiarse enormemente del avance.

1. Qualcomm Inc. (QCOM )

Este gigante de semiconductores ya está involucrado en el suministro de módems 5G y continúa invirtiendo en mantener su liderazgo. Qualcomm proporciona regularmente su visión para el 6G y ha estado trabajando en soluciones avanzadas de semiconductores y estándares inalámbricos para impulsar la infraestructura y los dispositivos para lo mismo.

En 2024‑12, la compañía señaló que 6G está posicionado para enfrentar los desafíos de la mayor disponibilidad de espectro y una mayor eficiencia en su uso. También busca desbloquear oportunidades en bandas de espectro bajas, medias y altas, donde aumentará la cobertura y la capacidad y permitirá aplicaciones de alto rendimiento como IA generativa y XR inmersivo.

El objetivo de Qualcomm es impulsar innovaciones que abran el camino a un nuevo espectro mientras mejoran la eficiencia operativa de las bandas existentes.

Para prepararse para la próxima era del 6G, Qualcomm ha estado trabajando con reguladores de espectro, operadores móviles, OEM y la academia. En particular, ha estado preparando la banda media alta (rango de 7 GHz a 16 GHz) para el 6G.

Llamada ‘Giga-MIMO’, la tecnología cuenta con una matriz de antenas mucho más densa en la estación base y un diseño de banda base y frecuencia de radio (RF) del dispositivo más complejo. Qualcomm también introdujo su red de pruebas 5G mmWave ampliada, que también será un habilitador fundamental para comunicaciones e inspección integradas.

El 6G se basará aún más en la fundación de la interfaz aérea y la red integrada terrestre/no terrestre (TN/NTN), dijo John Smee, Director Global de Investigación Inalámbrica en Qualcomm, en una entrevista. En cuanto a la transición del 5G al 6G, él espera que mejore significativamente la conectividad inalámbrica mientras permite nuevos servicios como IA, detección y gemelos digitales.

Hablando específicamente de la IA, Smee señaló que está destinada a mejorar no solo el 5G sino también el rendimiento del sistema 6G, la eficiencia operativa y la experiencia del usuario, al tiempo que desbloquea nuevos casos de uso a gran escala. El paradigma nativo de IA, según él, puede aportar más innovación a los dispositivos y redes.

Ahora, en cuanto a las finanzas de Qualcomm, las acciones de la empresa, con una capitalización de mercado de 190,24 mil millones de dólares, se cotizan a 174 dólares al momento de escribir. Las acciones de la empresa han subido un 12,04 % en lo que va del año. Su BPA (TTM) es 8,95 y su ratio P/E (TTM) es 19,24. También paga un rendimiento de dividendo del 1,98 %.

Para su último trimestre reportado, que terminó en septiembre de 2024, la empresa tuvo unos ingresos no GAAP de 10,2 mil millones de dólares, mientras que su BPA no GAAP fue de 2,69 dólares, con un crecimiento interanual del BPA de más del 30 %. Qualcomm también pagó 2,2 mil millones de dólares en retornos a los accionistas, que incluyeron 1,3 mil millones de dólares en recompras de acciones y 947 millones de dólares en dividendos. El flujo de caja libre para el año fiscal 2024 se reportó en 11,2 mil millones de dólares.

La empresa también ha avanzado significativamente en su estrategia de diversificación, lo que le ha permitido producir chips para PC, automóviles y máquinas.

“Continuaremos transformando Qualcomm de una empresa de comunicaciones inalámbricas en una empresa de computación conectada para la era de la IA.”

– CEO Cristiano Amon en ese momento

2. Verizon Communications (VZ )

En 2020, el CTO de este proveedor de telecomunicaciones dijo que “no sabe qué demonios es el 6G”, y su enfoque sigue centrado en mejorar el 5G. Sin embargo, la empresa se ha unido notablemente a otros líderes de la industria inalámbrica para formar la Alianza Next G.

Verizon, junto con Qualcomm, Samsung, AT&T, Apple, Google, Ericsson, Microsoft (MSFT ), Nokia, Facebook, Bell Canada, Ciena, InterDigital (IDCC ), JMA Wireless, TELUS, Telnyx, T‑Mobile y US Cellular, se ha unido para formar la Alianza. La Alianza tiene como objetivo desarrollar una hoja de ruta nacional para el 6G, alinear las prioridades de los interesados para las políticas gubernamentales y la financiación, e identificar estrategias para acelerar la adopción de la tecnología 6G en todos los sectores.

En cuanto a las finanzas de Verizon, las acciones de la empresa, con una capitalización de mercado de 166,45 mil millones de dólares, se cotizan a 40,10 dólares al momento de escribir. Las acciones de la empresa han bajado un 1,13 % en lo que va del año. Su BPA (TTM) es 4,15 y su ratio P/E (TTM) es 9,54. Verizon paga un rendimiento de dividendo de hasta el 6,85 %.

Para el cuarto trimestre de 2024, Verizon informó lo que llama ingresos de servicios inalámbricos “líderes en la industria” de 20 mil millones de dólares. Sus ingresos operativos totales fueron de 35,7 mil millones de dólares, y el ingreso neto consolidado fue de 5,1 mil millones de dólares. La deuda total no garantizada de la empresa fue de 117,9 mil millones de dólares.

El cuarto trimestre fue en realidad el mejor trimestre para Verizon en cinco años en términos de crecimiento de suscriptores inalámbricos, impulsado por los planes personalizables myPlan y las ofertas del Black Friday. La empresa también añadió casi 1 millón de suscriptores móviles y de banda ancha postpago, el mejor resultado trimestral en más de una década. Sus suscriptores de inalámbrico fijo, mientras tanto, fueron casi 4,6 millones. La compañía también ha presentado Verizon AI Connect, que capitaliza el auge de la IA al permitir a las empresas gestionar sus cargas de trabajo de IA a gran escala.

Conclusión

Después de centrarse en la comunicación humana a humana en generaciones anteriores de la tecnología y luego crear un cambio fundamental en el consumo de datos, el enfoque ahora está en conectar el IoT y los sistemas de automatización. Pero con el 6G, los mundos humano y digital se fusionarán sin problemas para ofrecer experiencias mejoradas.

Los avances tecnológicos, la creciente digitalización, los casos de uso avanzados y la entrega de un rendimiento extremo están listos para impulsar el mercado del 6G. Con sus velocidades ultrarrápidas, baja latencia y conectividad global, la tecnología 6G impulsará el nuevo futuro a través de autos autónomos, ciudades inteligentes y realidad virtual.

Se espera que esta nueva generación de tecnología inalámbrica modele la economía y la sociedad una vez que se lance a principios de la década de 2030. Sin embargo, existen barreras en términos de alto costo inicial, disponibilidad limitada de espectro y desafíos de estandarización que deben superarse primero.

La investigación, como la discutida aquí, desempeña un papel crucial para convertir esta tecnología en una realidad. Demuestra el valor del grafeno para habilitar la comunicación en frecuencia terahercios (THz), que es clave para las capacidades futuras del 6G. Así, con la investigación en curso, los gobiernos introduciendo iniciativas y las empresas colaborando, ya hemos comenzado a avanzar hacia la sexta generación de tecnología inalámbrica que promete un futuro más conectado e innovador.

Limpiar el grafeno es clave para su comercialización.

Referencia del estudio:

^{1. Maleki, A., Heindl, M. B., Xin, Y., Boyd, R. W., Herink, G., & Ménard, J.-M. (2024). Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures. Light: Science & Applications, 15, Article 1657. https://www.nature.com/articles/s41377-024-01657-1}